CN103900906B

CN103900906B - 一种土工膜下积气模型试验装置及其试验方法

Info

Publication number: CN103900906B
Application number: CN201410098890.4A
Authority: CN
Inventors: 王柳江; 刘斯宏; 孔维耀; 王子健
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-03-17
Also published as: CN103900906A

Abstract

一种土工膜下积气模型试验装置。该装置根据原状地基的密度和含水率，在试验筒内制备一定比例尺寸的地基模型，将密封加载板置于模型表面，试验筒底部设置进水装置，分别模拟土工膜覆盖条件、上覆水荷载变化及地下水位变动工况。进行土工膜下积气试验时，将孔隙气压力、孔隙水压力及土压力传感器分别布置在加载板底面、试验筒侧壁及底部，位移计则与位移滑杆连接，然后各传感器与相应的数据采集仪连接，数据采集仪通过数据线与计算机连接，各数据采集的时间步长通过计算机设定。通过采用该装置进行试验模拟，可快速了解非饱和地基中的水气迁移特性，确定土工膜下气场变化规律及其影响因素，具有简单、方便、经济、实用等优点。

Description

一种土工膜下积气模型试验装置及其试验方法

一、技术领域

本发明具体涉及一种土工膜下积气模型试验装置及其试验方法，利用该模型试验装置研究平原水库全库盆土工膜防渗时的膜下气场变化规律，属于土木工程仪器测试领域。

二、背景技术

为充分合理开发和利用我国北方地区有限的水资源，以满足工农业生产发展的需求，建设平原水库显得尤为必需。由于平原水库坝体属于散粒体结构，在坝身土料颗粒之间，仍然存在着较大的孔隙，再加之坝体对地基地质条件的要求相对较低，在软基上或较差的土基上均可筑坝。因此，平原水库蓄水后，在水压力作用下，渗漏现象是不可避免的。为减小水库的渗漏损失，近几年提出了土工膜全库盆防渗的渗控措施。然而，土工膜下非饱和土层中的孔隙气体极易聚集，膜下土体内部的气场在各种因素的作用下产生变化，对土工膜防渗层产生顶托作用，称为“气胀”。该现象若不经防治，轻则使局部土工膜被下部土体中的气体顶起，造成局部渗漏，对水库的蓄水功效产生影响；重则令土工膜受顶托而漂浮、破裂，对库盘的土工膜防渗体系造成大面积破坏，进而引发渗透破坏，危及水库安全。目前人们判断土工膜是否会产生气胀破坏主要通过现场试验，但现场试验存在试验周期长、费用高的缺点。因此，开发一种快速、便捷的土工膜下积气模型试验装置，通过室内模型试验了解地下水位变动、膜上荷载变动等工况下的膜下气场变化规律，对平原水库土工膜防气胀破坏具有重要的现实意义。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种土工膜下积气模型试验装置及其试验方法。

本发明的技术解决方案，其特征是一种土工膜下积气模型试验装置主要包括顶盖1、试验筒上筒体2、试验筒下筒体3、底板4、支脚5、法兰盘6、试验筒底部进水阀门7、水箱出水阀门8、试验筒底部出水阀门9、试验筒进气阀门10、橡胶软管11、密封压紧螺母12、尼龙管13、空气压缩机14、支架15、位移计16、位移滑杆17、螺纹槽18、孔隙气压力传感器19、O型密封圈20、孔隙水压力传感器21、土压力传感器22、玻璃转子流量计23、水箱24、位移采集仪25、孔隙气压力采集仪26、孔隙水压力采集仪27、土压力采集仪28、计算机29、加载板30、气压调节控制器31；其中顶盖1、试验筒上筒体2、试验筒下筒体3、底板4之间通过法兰盘6相互连接，加载板30置于试验筒内将试验筒分为上部加压室与下部试样筒，试验筒底部进水阀门7通过橡胶软管11与玻璃转子流量计23连接，玻璃转子流量计23又通过橡胶软管11与水箱24出水阀门8相连接，下筒体3内侧垂直布置4个孔隙水压力传感器21，4个孔隙水压力传感器21通过数据线与孔隙水压力采集仪27连接，由加载板30底面引出的4根尼龙管13与试验筒外的4个孔隙气压力传感器19连接，4个孔隙气压力传感器19通过数据线与孔隙气压力采集仪26相连接，底板4的中心放置1个土压力传感器22、土压力传感器22通过数据线与土压力采集仪28相连接，位移滑杆17顶部连接1个位移计16，位移计16通过数据线与位移采集仪25连接，位移采集仪25、孔隙气压力采集仪26、孔隙水压力采集仪27、土压力采集仪28分别通过数据线与计算机29相连接，上部加压室通过尼龙管13与气压调节控制器31的一端连接，气压调节控制器31的另一端通过尼龙管13与空气压缩机14相连接。

所述的土工膜下积气模型试验装置，其特征在于所述的法兰盘6上设24个紧固螺栓，并在法兰盘6的上下两个面上设U型沟槽用于放置耐磨损橡胶密封圈。

所述的土工膜下积气模型试验装置，其特征在于所述的加载板30由圆形钢板和环形钢板焊接而成，其外径略小于试验筒内壁直径，且在环形钢板外侧设两道U型密封圈沟槽，槽内放置型号为490×6mm的O型密封圈20，加载板30上设四个孔分别引出4根尼龙管13，4根尼龙管13再分别与4个孔隙气压力传感器19连接，加载板30的中心处设螺纹槽18固定位移滑杆17。

所述的土工膜下积气模型试验装置，其特征在于所述的密封压紧螺母12用于密封处理引出数据线、位移滑杆17、尼龙管13等的圆孔。

一种利用土工膜下积气模型试验装置进行试验的方法，其试验方法步骤如下：

1）根据实际工况，确定地基模型的尺寸和材料；

2）在试验筒底板4中心位置布置土压力传感器22，然后根据原状土的含水率配制土料，将土料装填至试验筒内，形成与原状土密度一致的地基模型；

3）装填好土样后，安装4个孔隙水压力传感器21、加载板30、试验筒顶盖1和位移计16，保证试验筒完全密闭；

4）打开位移采集仪25、孔隙气压力采集仪26、孔隙水压力采集仪27、土压力采集仪28和计算机29，设定数据采集间隔，开始记录，静置12小时；

5）打开试验筒底部出水阀门9、空气压缩机14和气压调节控制器31，调节气压为100kPa，对试验筒内土样进行预压，静置48小时；

6）关闭试验筒底部出水阀门9、空气压缩机14和气压调节控制器31，打开水箱出水阀门8和试验筒底部进水阀门7，通过调节水箱24高度和玻璃转子流量计23分别控制水头和进水流量，模拟地下水位上升；

7）待试验筒内水位上升至设定高程时，关闭试验筒底部进水阀门7，模拟地下水位上升工况结束，将位移采集仪25、孔隙气压力采集仪26、孔隙水压力采集仪27、土压力采集仪28采集到的试验数据输入计算机29；

8）打开空气压缩机14和气压调节控制器31，设定气压值对试验筒内土样进行加压，模拟土工膜上蓄水工况，将位移采集仪25、孔隙气压力采集仪26、孔隙水压力采集仪27、土压力采集仪28采集到的试验数据输入计算机29；

9）调节气压调节控制器31使上部加压室内的气压缓慢减小，从而模拟土工膜上降水工况，将位移采集仪25、孔隙气压力采集仪26、孔隙水压力采集仪27、土压力采集仪28采集到的试验数据输入计算机29；

10）打开试验筒底部出水阀门9，模拟地下水位下降工况，将位移采集仪25、孔隙气压力采集仪26、孔隙水压力采集仪27、土压力采集仪28采集到的试验数据输入计算机29；

11）停止计算机29数据采集，土工膜下积气模型试验结束。

采用该模型试验装置后可以有效缩短试验周期，减少试验费用，并进一步了解地下水位和膜上荷载变动工况下的膜下气场变化规律。

本发明的原理如下：（1）根据实际地基的地层分布以及原状土的密度和含水率按一定比例制作模型。（2）采用密封加载板模拟土工膜下地基的封闭条件；（3）根据实际工况设定地下水位上升高度和上升速度。（4）模拟实际工况下库水位上升和骤降对膜下气场的影响。

本发明与传统的现场试验相比，具有如下优点：

1．本发明通过室内模型试验，模拟实际工况下土工膜下气场的变化规律，了解膜下非饱和土的水气耦合特性。

2．本发明可有效缩短试验周期，降低试验费用，快速了解膜下地下水位和膜上库水位变动工况下的膜下积气情况。

3．本发明可以模拟不同地层分布的地基，方便地控制地下水位和上覆荷载，在现场试验前了解膜下气场变化规律，有针对性的试验，以减小因现场试验失败而造成额外费用损失。

四、附图说明

图1土工膜下积气模型试验装置示意图

附图标记：1—顶盖；2—上筒体；3—下筒体；4—底板；5—支脚；6—法兰盘；7—试验筒底部进水阀门；8—水箱出水阀门；9—试验筒底部出水阀门；10—试验筒进气阀门；11—橡胶软管；12—密封压紧螺母；13—尼龙管；14—空气压缩机；15—支架；16—位移计；17—位移滑杆；18—螺纹槽；19—孔隙气压力传感器；20—O型密封圈；21—孔隙水压力传感器；22—土压力传感器；23—玻璃转子流量计；24—水箱；25—位移采集仪；26—孔隙气压力采集仪；27—孔隙水压力采集仪；28—土压力采集仪；29—计算机；30—加载板；31—气压调节控制器。

五、具体实施方式

本发明方法主要是提供一种土工膜下积气试验模型装置，利用模型试验，认识地下水位和膜上库水位变化情况下的土工膜下气场变化规律，为验证防土工膜气胀措施效果提供试验依据。

实施例1.

一种土工膜下积气模型试验装置，其特征在于该装置由顶盖1、试验筒上筒体2、试验筒下筒体3、底板4、支脚5、法兰盘6、试验筒底部进水阀门7、水箱出水阀门8、试验筒底部出水阀门9、试验筒进气阀门10、橡胶软管11、密封压紧螺母12、尼龙管13、空气压缩机14、支架15、位移计16、位移滑杆17、螺纹槽18、孔隙气压力传感器19、O型密封圈20、孔隙水压力传感器21、土压力传感器22、玻璃转子流量计23、水箱24、位移采集仪25、孔隙气压力采集仪26、孔隙水压力采集仪27、土压力采集仪28、计算机29、加载板30、气压调节控制器31所制成；其中顶盖1、试验筒上筒体2、试验筒下筒体3、底板4之间通过法兰盘6相互连接，加载板30置于试验筒内将试验筒分为上部加压室与下部试样筒，试验筒底部进水阀门7通过橡胶软管11与玻璃转子流量计23连接，玻璃转子流量计23又通过橡胶软管11与水箱24出水阀门8相连接，下筒体3内侧垂直布置4个孔隙水压力传感器21，4个孔隙水压力传感器21通过数据线与孔隙水压力采集仪27连接，由加载板30底面引出的4根尼龙管13与试验筒外的4个孔隙气压力传感器19连接，4个孔隙气压力传感器19通过数据线与孔隙气压力采集仪26相连接，底板4的中心放置1个土压力传感器22、土压力传感器22通过数据线与土压力采集仪28相连接，位移滑杆17顶部连接1个位移计16，位移计16通过数据线与位移采集仪25连接，位移采集仪25、孔隙气压力采集仪26、孔隙水压力采集仪27、土压力采集仪28分别通过数据线与计算机29相连接，上部加压室通过尼龙管13与气压调节控制器31的一端连接，气压调节控制器31的另一端通过尼龙管13与空气压缩机14相连接。

其中：

1）试验筒由钢板制成，高度900mm，其中试验筒上筒体2高260mm，试验筒下筒体3高640mm，内径均为500mm，筒壁厚度12mm，下筒体一侧自筒底向上每隔150mm开设一个直径15mm的圆孔，共开设4个，分别通过4条数据线连接孔隙水压力传感器27，试验筒下筒体3的底部进水阀门7和出水阀门8的孔径为10mm，顶部进气阀门10的孔径为5mm；

2）顶盖1和底板4均为厚度14mm，直径626mm的圆形钢板，其中顶盖上还设有6个直径6mm的小孔用于引出位移滑杆17和连接孔隙气压力传感器19的数据线，底板4的中部开有30mm圆孔用于放置土压力传感器22；

3）加载板30采用厚度14mm的圆形钢板和壁厚14mm、高度56mm的圆环焊接而成、其外径略小于筒内壁直径，在加载板30外侧设有两道U型密封圈沟槽，槽内放置型号为490×6mm的O型橡胶密封圈，加载板30上开4个孔径6mm的小孔用于引出连接孔隙气压力传感器19的尼龙管13，中心处开有孔径6mm，深度6mm的螺纹槽，相应的位移滑杆直径6mm，长300mm；

4）每个联接法兰盘6上设24个M12型紧固螺栓，在紧固螺栓内侧设U型沟槽，将型号550×6mm的耐磨损O型橡胶密封圈放置其中；

5）水箱24的尺寸为1000×1000×800cm（长×宽×高），由厚度10mm厚的高强度有机玻璃制成，水箱24的底部出水阀门8的孔径为10mm，出水阀门8为铝合金材料；

6）试验筒底部进水阀门7通过橡胶软管与水箱出水阀门8连接，橡胶软管直径为10mm，同时试验筒与水箱之间还连接了LZB-4WB型玻璃转子流量计23（最大流量100ml/min）一个；

7）气源由ZB-0.11/7型号直连式空气压缩机提供，额定工作压力0.7MPa，容积流量110L/min，气源和与加压室间通过6mm直径的尼龙管连接，为精确调控进气压力的大小并使气压值稳定，气源与加压室之间还连接有气压调节控制器31，由SMC气动调压阀、精密压力表和加载开关构成，精密压力表量测范围为0～1MPa，最小刻度0.05MPa。

8）位移计16为YHD-150型回弹式直线位移传感器，量程150mm，精度0.1%，安装在固结容器顶部的支架15上，通过量测固定在加载板上的位移滑杆17的竖向位移量测地基变形；

9）孔隙气压力传感器19采用HQ100型压阻式压力传感器，量程0～200kPa，过载能力150%，精度D级；

10）孔隙水压力传感器21型号为HQ100型传感器，量程为0～200kPa，采用的陶瓷板进气值为5bar，自筒底往上每隔15cm布置一个；

11）土压力传感器22为振弦式土压力盒，量程0～500kPa，通过密封螺母和压紧螺母固定在试验筒底板的中心；

12）位移计16、孔隙水压力传感器21、孔隙气压力传感器19以及土压力传感器22分别通过数据线与相应的数据采集仪连接，各数据采集仪再与计算机29连接，计算机型号为普通办公计算机。

实施例2.

使用土工膜下积气模型试验装置进行模型试验的方法，其试验方法步骤如下：

1）依据山东某平原水库的实际工况，该地基地下水位埋深7m，地下水位以上土层为砂壤土层和裂隙粘土层，厚度分别为4m和3m，其中砂壤土的天然含水率为27.3%，密度为1.78g/cm³，裂隙粘土的天然含水率为33.4%，密度为1.85g/cm³，取上述土样进行膜下积气模型试验，按照1:10比例对上述地基进行缩放，则试样高度为0.7m，砂壤土层厚度为0.4m，裂隙粘土层厚度为0.3m；

2）根据模型尺寸计算模型中砂壤土层的体积为0.1m³，裂隙粘土层体积为0.075m³，由原状样的密度和模型的尺寸计算所需的砂壤土和裂隙粘土质量分别为178kg和138.75kg，在试验筒底板中心安装土压力传感器后，再在试验筒底部铺设一层2cm厚的粗砂层，以保证试验模拟地下水位上升工况时筒内水位可以均匀上升，然后将砂壤土和裂隙粘土先后在倒入试验筒内，采用分层击实的方法填筑至试验高度0.7m；

3）在试验筒下筒体侧壁的4个开孔位置（沿垂直方向间距为15cm、30cm、45cm和60cm）依次安装孔隙水压力传感器21，然后安装加载板30，将尼龙管13引出位置采用密封压紧螺母12拧紧，然后盖上试验筒顶盖1，将法兰盘6处的紧固螺栓及顶盖数据线引出孔处的密封压紧螺母12拧紧，最后在顶盖表面安装位移计16；

4）打开位移采集仪25、孔隙气压力采集仪26、孔隙水压力采集仪27、土压力采集仪28和计算机29，设定数据采集步长为10min，并开始数据采集，试样首先静置12小时；

5）打开试验筒底部出水阀门9、空气压缩机14和气压调节控制器31对试样进行预压，控制气压大小为100kPa，持续48小时；

6）关闭试验筒底部出水阀门9、空气压缩机14和气压调节控制器31，打开水箱出水阀门8和试验筒底部进水阀门7，将进水流量调至15.0ml/min，开始模拟地下水位上升工况，在试验过程中注意保证进水流量不变；

7）待筒内水位上升至70cm时（大约需67小时），关闭进水开关，停止加水，水位上升工况模拟结束，此过程的数据采集间隔为10min，其中前30min的数据记录如下：孔隙气压力的为0.06kPa、0.13kPa、0.34kPa；孔隙水压力为-21.69kPa、-21.73kPa、-21.74kPa；土压力为105.1kPa、104.8kPa、104.7kPa；位移为15.1mm、15.2mm、15.3mm；

8）开空气压缩机14和气压调节控制器31，调节SMC气压调压阀，使上部加压室内气压以每1.5小时增大60kPa为一级的加载方式，逐级从100kPa增加460kPa并稳定6h，模拟土工膜上蓄水工况，此过程的数据采集间隔为10min，其中前30min的数据记录如下：孔隙气压力的为85.37kPa、85.55kPa、85.5kPa；孔隙水压力为82.93kPa、83.44kPa、84.01kPa；土压力为101.5kPa、101.2kPa、105.8kPa；位移为16.5mm、16.6mm、16.7mm；

9）调节气压调节控制器31使上部加压室缓慢排气，模拟土工膜上水位骤降工况，使上部加压室内的气压在12小时内逐渐降为100kPa，此过程的数据采集间隔为10min，其中前30min的数据记录如下：孔隙气压力的为218.68kPa、220.25kPa、221.44kPa；孔隙水压力为246.48kPa、247.81kPa、249.03kPa；土压力为364.1kPa、357kPa、352kPa；位移为41.6mm、42.1mm、42.5mm；

10）打开试验筒底部出水阀门9，模拟地下水位下降工况，使地下水在12小时内缓慢流出，此过程的数据采集间隔为10min，其中前30min的数据记录如下：孔隙气压力的为157.46kPa、157.31kPa、152.95kPa；孔隙水压力为191.35kPa、191.56kPa、190.14kPa；土压力为208.7kPa、208.5kPa、208kPa；位移为40.4mm、40.4mm、40.4mm；

11）停止计算机29数据采集，土工膜下积气模型试验结束。

Claims

1.一种土工膜下积气模型试验装置，其特征在于该装置由顶盖(1)、试验筒上筒体(2)、试验筒下筒体(3)、底板(4)、支脚(5)、法兰盘(6)、试验筒底部进水阀门(7)、水箱出水阀门(8)、试验筒底部出水阀门(9)、试验筒进气阀门(10)、橡胶软管(11)、密封压紧螺母(12)、尼龙管(13)、空气压缩机(14)、支架(15)、位移计(16)、位移滑杆(17)、螺纹槽(18)、孔隙气压力传感器(19)、O型密封圈(20)、孔隙水压力传感器(21)、土压力传感器(22)、玻璃转子流量计(23)、水箱(24)、位移采集仪(25)、孔隙气压力采集仪(26)、孔隙水压力采集仪(27)、土压力采集仪(28)、计算机(29)、加载板(30)、气压调节控制器(31)所制成；其中顶盖(1)、试验筒上筒体(2)、试验筒下筒体(3)、底板(4)之间通过法兰盘(6)相互连接，加载板(30)置于试验筒内将试验筒分为上部加压室与下部试样筒，试验筒底部进水阀门(7)通过橡胶软管(11)与玻璃转子流量计(23)连接，玻璃转子流量计(23)又通过橡胶软管(11)与水箱(24)出水阀门(8)相连接，下筒体(3)内侧垂直布置4个孔隙水压力传感器(21)，4个孔隙水压力传感器(21)通过数据线与孔隙水压力采集仪(27)连接，由加载板(30)底面引出的4根尼龙管(13)与试验筒外的4个孔隙气压力传感器(19)连接，4个孔隙气压力传感器(19)通过数据线与孔隙气压力采集仪(26)相连接，底板(4)的中心放置1个土压力传感器(22)、土压力传感器(22)通过数据线与土压力采集仪(28)相连接，位移滑杆(17)顶部连接1个位移计(16)，位移计(16)通过数据线与位移采集仪(25)连接，位移采集仪(25)、孔隙气压力采集仪(26)、孔隙水压力采集仪(27)、土压力采集仪(28)分别通过数据线与计算机(29)相连接，上部加压室通过尼龙管(13)与气压调节控制器(31)的一端连接，气压调节控制器(31)的另一端通过尼龙管(13)与空气压缩机(14)相连接。

2.根据权利要求1所述的土工膜下积气模型试验装置，其特征在于所述的法兰盘(6)上设24个紧固螺栓，并在法兰盘(6)的上下两个面上设U型沟槽用于放置耐磨损橡胶密封圈。

3.根据权利要求1所述的土工膜下积气模型试验装置，其特征在于所述的加载板(30)由圆形钢板和环形钢板焊接而成，其外径略小于试验筒内壁直径，且在环形钢板外侧设两道U型密封圈沟槽，槽内放置型号为490×6mm的O型密封圈(20)，加载板(30)上设四个孔分别引出4根尼龙管(13)，4根尼龙管(13)再分别与4个孔隙气压力传感器(19)连接，加载板(30)的中心处设螺纹槽(18)固定位移滑杆(17)。

4.根据权利要求1所述的土工膜下积气模型试验装置，其特征在于所述的密封压紧螺母(12)用于密封处理引出数据线、位移滑杆(17)、尼龙管(13)的圆孔。

5.一种利用权利要求1所述的土工膜下积气模型试验装置进行试验的方法，其试验方法步骤如下：

1)根据实际工况，确定地基模型的尺寸和材料；

2)在试验筒底板(4)中心位置布置土压力传感器(22)，然后根据原状土的含水率配制土料，将土料装填至试验筒内，形成与原状土密度一致的地基模型；

3)装填好土样后，安装4个孔隙水压力传感器(21)、加载板(30)、试验筒顶盖(1)和位移计(16)，保证试验筒完全密闭；

4)打开位移采集仪(25)、孔隙气压力采集仪(26)、孔隙水压力采集仪(27)、土压力采集仪(28)和计算机(29)，设定数据采集间隔，开始记录，静置12小时；

5)打开试验筒底部出水阀门(9)、空气压缩机(14)和气压调节控制器(31)，调节气压为100kPa，对试验筒内土样进行预压，静置48小时；

6)关闭试验筒底部出水阀门(9)、空气压缩机(14)和气压调节控制器(31)，打开水箱出水阀门(8)和试验筒底部进水阀门(7)，通过调节水箱(24)高度和玻璃转子流量计(23)分别控制水头和进水流量，模拟地下水位上升；

7)待试验筒内水位上升至设定高程时，关闭试验筒底部进水阀门(7)，模拟地下水位上升工况结束，将位移采集仪(25)、孔隙气压力采集仪(26)、孔隙水压力采集仪(27)、土压力采集仪(28)采集到的试验数据输入计算机(29)；

8)打开空气压缩机(14)和气压调节控制器(31)，设定气压值对试验筒内土样进行加压，模拟土工膜上蓄水工况，将位移采集仪(25)、孔隙气压力采集仪(26)、孔隙水压力采集仪(27)、土压力采集仪(28)采集到的试验数据输入计算机(29)；

9)调节气压调节控制器(31)使上部加压室内的气压缓慢减小，从而模拟土工膜上降水工况，将位移采集仪(25)、孔隙气压力采集仪(26)、孔隙水压力采集仪(27)、土压力采集仪(28)采集到的试验数据输入计算机(29)；

10)打开试验筒底部出水阀门(9)，模拟地下水位下降工况，将位移采集仪(25)、孔隙气压力采集仪(26)、孔隙水压力采集仪(27)、土压力采集仪(28)采集到的试验数据输入计算机(29)；

11)停止计算机(29)数据采集，土工膜下积气模型试验结束。